(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に沿って延在する柱状のハニカム構造体であって、
前記中心軸の延在方向で互いに対向する第１の端面及び第２の端面と、
前記中心軸に沿って延在する複数の第１流路及び複数の第２流路を形成する隔壁と、を有し、
前記第１流路は、前記第１の端面側が開口され、前記第２の端面側が封口されており、
前記第２流路は、前記第１の端面側が封口され、前記第２の端面側が開口されており、
前記第１の端面の開口割合は、前記第２の端面の開口割合より大きく、
前記第２の端面には、複数の前記第２流路を含む高強度領域が形成され、
前記高強度領域は、前記中心軸を囲む環状に形成されており、
前記環状の高強度領域に含まれる全ての前記第２流路は、前記環状の高強度領域に含まれない前記第２流路と比べて、前記中心軸に垂直な断面形状の最小曲率半径が大きく、
前記第２流路の前記中心軸に垂直な断面形状は一定形状を保ったまま中心軸方向に延在しており、
前記環状の高強度領域に含まれる全ての前記第２流路の前記中心軸に垂直な断面形状は円形状又は楕円形状であり、前記環状の高強度領域に含まれない前記第２流路の前記中心軸に垂直な断面形状は多角形状であり、
前記第２の端面において前記環状の高強度領域より前記中心軸側に位置する前記第２流路の前記中心軸に垂直な断面形状は正六角形状である、ハニカム構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを浄化するフィルタとして用いられるハニカム構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）等、内燃機関の排出ガスを浄化するフィルタとしてハニカム構造体が広く用いられている（例えば特許文献１を参照）。ハニカム構造体には、排出ガスから取り除かれた煤が堆積するため、一定期間ごとに煤を燃焼してフィルタ再生(regeneration)を行う必要がある。煤を燃焼させるには、高温かつ大量の燃焼排ガスを供給して煤に着火し、煤を燃え尽きさせればよい。
【０００３】
フィルタ再生時には煤の燃焼熱によりハニカム構造体が破損する場合があることから、ハニカム構造体は高い耐熱衝撃性が求められている。特許文献１には、複数のセグメント部を連結部で結合した構造を持つハニカム構造体において、連結部の強度を調整することで耐熱衝撃性を高めたものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０２１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者らがハニカム構造体について実験を重ねたところ、耐熱衝撃性テストにおいてハニカム構造体のガス下流側端面に放射状のクラックが複数発生し、さらに過酷な条件において、これらのクラックが拡大して互いに繋がり最終的に環状のクラックを形成する状況が見出された。このため、クラックの発生によるフィルタ性能の低下を避けるための対策を行う必要がある。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、通気性を確保しつつ耐熱衝撃性の向上を図ることができるハニカム構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、中心軸に沿って延在する柱状のハニカム構造体であって、中心軸の延在方向で互いに対向する第１の端面及び第２の端面と、中心軸に沿って延在する複数の第１流路及び複数の第２流路を形成する隔壁と、を有し、第１流路は、第１の端面側が開口され、第２の端面側が封口されており、第２流路は、第１の端面側が封口され、第２の端面側が開口されており、第１の端面の開口割合は、第２の端面の開口割合より大きく、第２の端面には、複数の第２流路を含む高強度領域が形成され、高強度領域は、中心軸を囲む環状に形成されており、環状の高強度領域に含まれる全ての第２流路は、環状の高強度領域に含まれない第２流路と比べて、中心軸に垂直な断面形状の最小曲率半径が大きく、第２流路の中心軸に垂直な断面形状は一定形状を保ったまま中心軸方向に延在しており、環状の高強度領域に含まれる全ての第２流路の中心軸に垂直な断面形状は円形状又は楕円形状であり、環状の高強度領域に含まれない第２流路の中心軸に垂直な断面形状は多角形状であり、第２の端面において環状の高強度領域より中心軸側に位置する第２流路の中心軸に垂直な断面形状は正六角形状である。
【０００８】
上記ハニカム構造体によれば、第２流路の断面形状（開口形状）の最小曲率半径が大きいほど第２の端面上における開口への応力集中を低減できることから、高強度領域におけるクラックの発生を抑制することができる。しかも、上記ハニカム構造体では、高強度領域に含まれない第２流路を最小曲率半径の小さい断面形状とすることで、全ての第２流路の断面形状が同じ場合と比べて第２の端面上に第２流路を効率良く配置することができ、フィルタ単位面積当たりの開口面積を大きくして通気性を十分に確保することができる。従って、上記ハニカム構造体によれば、通気性を十分に確保しつつ、クラックの発生を抑制して耐熱衝撃性の向上を図ることができる。また、上記ハニカム構造体によれば、複数の第２流路を含む高強度領域が形成されることで、より広範囲な領域についてクラックの発生を抑制することができる。更に、上記ハニカム構造体によれば、高強度領域は、中心軸を囲む環状に形成されているので、熱衝撃により第２の端面に現れる環状のクラックの発生を効果的に抑制することができる。また、上記ハニカム構造体によれば、高強度領域に含まれる全ての第２流路の中心軸に垂直な断面形状は円形状又は楕円形状であり、高強度領域に含まれない第２流路の中心軸に垂直な断面形状は多角形状であるので、第２流路の断面形状が円形状又は楕円形状である高強度領域においてクラックの発生を抑制することができるので、耐熱衝撃性の更なる向上を図ることができる。しかも、この場合、高強度領域に含まれない第２流路の断面形状を円形状と比べて最小曲率半径の小さい多角形状とすることで高強度領域以外の領域に第２流路を効率的に配置することができ、フィルタ単位面積当たりの開口面積を大きくして通気性を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、通気性を確保しつつ耐熱衝撃性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係るハニカム構造体を示す斜視図である。
【図２】ハニカム構造体の中心軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。
【図３】（ａ）は、ハニカム構造体の第１の端面の一部を示す拡大図である。（ｂ）は、ハニカム構造体の第２の端面の一部を示す拡大図である。
【図４】ハニカム構造体の中心軸に沿った断面の一部を示す拡大図である。
【図５】ハニカム構造体の第２の端面を示す全体図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【図７】（ａ）高強度領域に含まれない第２流路の断面形状を示す図である。（ｂ）高強度領域に含まれる第２流路の断面形状を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係るハニカム構造体の第２の端面を示す全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係るハニカム構造体１０は、ＤＰＦ［Diesel Particulate Filter］等に取り付けられ、内燃機関の排出ガスを浄化するためのフィルタとして用いられる円柱状の構造体である。円柱状のハニカム構造体１０は、中心軸ＣＬに沿って延在している。以後、中心軸ＣＬの延在方向を中心軸方向と称する。
【００１８】
ハニカム構造体１０は、中心軸方向で互いに対向する第１の端面１０ａ及び第２の端面１０ｂと、中心軸ＣＬに沿って延在する複数の第１流路Ｒａ及び複数の第２流路Ｒｂを形成する隔壁１０ｃと、を有している。
【００１９】
ハニカム構造体１０は、多孔質（例えば、平均細孔直径２０μｍ以下）のセラミクス材料等から構成されている。ハニカム構造体１０に用いられるセラミクス材料としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、コーディエライト、ガラス、チタン酸アルミニウム等の酸化物、シリコンカーバイド、窒化珪素、金属等が挙げられる。チタン酸アルミニウムは、更に、マグネシウム及び／又はケイ素を含むことができる。
【００２０】
このようなハニカム構造体１０は、上述したセラミクス材料となるグリーン成形体（未焼成成形体）を焼成し、各流路Ｒａ,Ｒｂに対して所定の封口処理を行うことにより得ることができる。グリーン成形体は、セラミクス原料である無機化合物源粉末、メチルセルロース等の有機バインダ、及び必要に応じて添加される添加剤を含む。
【００２１】
例えば、チタン酸アルミニウムのグリーン成形体の場合、無機化合物源粉末は、αアルミナ粉等のアルミニウム源粉末、及びアナターゼ型やルチル型のチタニア粉末等のチタニウム源粉末を含み、必要に応じて、更に、マグネシア粉末やマグネシアスピネル粉末等のマグネシウム源粉末、及び／又は、酸化ケイ素粉末やガラスフリット等のケイ素源粉末を含むことができる。
【００２２】
有機バインダとしては、メチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ヒドロキシアルキルメチルセルロース、ナトリウムカルボキシルメチルセルロース等のセルロース類；ポリビニルアルコール等のアルコール類；リグニンスルホン酸塩が挙げられる。
【００２３】
添加物としては、例えば、造孔剤、潤滑剤、可塑剤、分散剤及び溶媒が挙げられる。
【００２４】
造孔剤としては、グラファイト等の炭素材；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル等の樹脂類；でんぷん、ナッツ殻、クルミ殻、コーン等の植物材料；氷；及びドライアイス等が挙げられる。
【００２５】
潤滑剤及び可塑剤としては、グリセリン等のアルコール類；カプリル酸、ラウリン酸、パルミチン酸、アラキジン酸、オレイン酸、ステアリン酸等の高級脂肪酸；ステアリン酸Ａｌ等のステアリン酸金属塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル（ＰＯＡＡＥ）等が挙げられる。
【００２６】
分散剤としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸等の無機酸；シュウ酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、乳酸等の有機酸；メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類；ポリカルボン酸アンモニウム等の界面活性剤等が挙げられる。
【００２７】
溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール等のアルコール類；プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレングリコール等のグリコール類；及び水等を用いることができる。
【００２８】
図２は、図１の中心軸ＣＬに沿った断面の一部を示す拡大図である。図２に示されるように、ハニカム構造体１０の流路Ｒａ,Ｒｂは、第１の端面１０ａ側及び第２の端面１０ｂ側の何れか一方が封口されている。具体的には、第１流路Ｒａは、第１の端面１０ａ側が開口され、第２の端面１０ｂ側が封口材１１によって封口されている。また、第２流路Ｒｂは、第２の端面１０ｂ側が開口され、第１の端面１０ａ側が封口材１２によって封口されている。
【００２９】
封口材１１,１２の材料は、上述したグリーン成形体と同じ材料を用いても良く、異なる材料を用いても良い。また、封口材１１,１２の材料には、内燃機関の排出ガスを通過させないものを用いても良い。
【００３０】
ハニカム構造体１０は、複数の第１流路Ｒａ及び複数の第２流路Ｒｂを形成する隔壁１０ｃを有している。換言すると、隔壁１０ｃによって個々の流路Ｒａ,Ｒｂが隔てられている。この隔壁１０ｃは、第１の端面１０ａから第２の端面１０ｂまで中心軸ＣＬに沿って延在している。
【００３１】
図２に示すハニカム構造体１０は、第１の端面１０ａをガス上流側（内燃機関側）、第２の端面１０ｂをガス下流側として、内燃機関の排出ガス流路上に配置される。ハニカム構造体１０を通過する排出ガスの主な流れを矢印Ｇとして示す。
【００３２】
矢印Ｇにより示されるように、内燃機関の排出ガスは、まず第１の端面１０ａ側の開口から流路Ｒａに流入する。流路Ｒａに流入したガスは、流路Ｒａの第２の端面１０ｂ側が封口されているため、隔壁１０ｃを通過して流路Ｒｂ内に流入する。ガスが隔壁１０ｃを通過する際にガス中の煤等が捕捉される。流路Ｒｂ内に流入したガスは、第２の端面１０ｂ側の開口を介してハニカム構造体１０の外へ流れ出る。これにより、浄化されたガスがハニカム構造体１０の第２の端面１０ｂ側から排出されることになる。
【００３３】
次に、第１流路Ｒａ及び第２流路Ｒｂの断面形状について説明する。図３は、ハニカム構造体１０の中心軸ＣＬに垂直な断面の一部を示す拡大図である。図４（ａ）はハニカム構造体１０の第１の端面１０ａの一部を示す拡大図であり、図４（ｂ）は第２の端面１０ｂの一部を示す拡大図である。
【００３４】
図３及び図４に示されるように、ハニカム構造体１０の中心軸ＣＬに垂直な断面は、隔壁１０ｃにより流路Ｒａ,Ｒｂを仕切る格子構造を有している。このようなハニカム構造体１０の形状は、封口材１１,１２を除いて押出一体成形により作られており、流路Ｒａ,Ｒｂの断面形状は途中で変形することなく一定形状を保ったまま中心軸方向に延在する。
【００３５】
第１流路Ｒａ及び第２流路Ｒｂの断面形状としては、正六角形状のものと規則的六角形状（例えば、隣接する正六角形の流路断面の一辺と長さが同じ長辺、及び当該長辺より長さが短い短辺からなる六角形状）のもの、及び円形状のものがある。すなわち、ハニカム構造体１０は、異なる断面形状の流路を有する非対称セル構造（非対称格子構造）を備えている。
【００３６】
具体的には、第１流路Ｒａは、規則的六角形状の断面形状を有している。一方、第２流路Ｒｂは、断面形状により二つの流路Ｒｂ１,Ｒｂ２に分けられる。流路Ｒｂ１は正六角形状の断面形状を有しており、流路Ｒｂ２は円形状の断面形状を有している。なお、流路Ｒｂ２については、図３及び図４に図示していない。
【００３７】
ハニカム構造体１０の中心軸ＣＬに垂直な断面では、断面形状が正六角形状の流路Ｒｂ１を囲むように断面形状が規則的六角形状の第１流路Ｒａが配置されている。このような配置により、ハニカム構造体１０では、第１流路Ｒａの方が第２流路Ｒｂより数が多く形成されている。このため、第１の端面１０ａにおける開口割合（第１の端面１０ａの全体面積における第１流路Ｒａの開口面積の割合）は、第２の端面１０ｂにおける開口割合（第２の端面１０ｂの全体面積における第２流路Ｒｂの開口面積の割合）よりも大きい。このような第１の端面１０ａをガス上流側に向けてハニカム構造体１０は排気ガス流路上に配置される。開口割合の大きい第１の端面１０ａをガス上流側とすることで、排気ガスがハニカム構造体１０内に流入しやすくなるので、ハニカム構造体１０における排気ガスの圧力損失を低減することができる。
【００３８】
次に、ハニカム構造体１０が有する高強度領域Ｆについて説明する。図５は、第２の端面１０ｂを示す全体図であり、図６は、図５の部分拡大図である。図５及び図６に示されるように、ハニカム構造体１０では、第２の端面１０ｂ上に円環上の高強度領域Ｆが形成されている。高強度領域Ｆは、中心軸ＣＬを中心として囲むように形成されている。
【００３９】
また、ハニカム構造体１０の第２の端面１０ｂ上には、開口する複数の第２流路Ｒｂが所定間隔で形成されている。第２の端面１０ｂ上において、複数の第２流路Ｒｂ同士は封口材１１（第１流路Ｒａ）及び隔壁１０ｃを挟んで互いに離間している。
【００４０】
高強度領域Ｆには、第２流路Ｒｂのうち断面形状（開口形状）が円形状である流路Ｒｂ２のみが含まれている。換言すると、高強度領域Ｆに含まれる第２流路Ｒｂは全て流路Ｒｂ２である。高強度領域Ｆには、第１流路Ｒａを封口する封口材１１及び隔壁１０ｃも含まれている。一方、高強度領域Ｆに含まれない全ての第２流路Ｒｂは、断面形状が正六角形状の流路Ｒｂ１である。
【００４１】
続いて、第２流路Ｒｂの断面形状（中心軸ＣＬに垂直な断面の形状）の最小曲率半径について説明する。断面形状の最小曲率半径とは、断面形状を構成する曲線（外側に凸となる曲線）の曲率半径のうち最小のものを意味する。
【００４２】
図７（ａ）は、高強度領域Ｆに含まれない流路Ｒｂ１の断面形状を示す図である。図７（ａ）に示されるように、流路Ｒｂ１は、角に丸みのある正六角形状の断面形状を有している。このような断面形状の角の丸みは、ハニカム構造体１０の成形条件から生じている。すなわち、実際には流路Ｒａ,Ｒｂの断面形状が完全な直線のみから形成されることはなく、断面形状の角には丸みがあることが通常である。なお、応力集中を低減するため意図的に断面形状の丸みを設けていても良い。
【００４３】
流路Ｒｂ１の断面形状における最小曲率半径を矢印ｒ１として示す。なお、図７（ａ）の正六角形の各々の角における最小の曲率半径は等しいものとする。
【００４４】
ここで、図７（ｂ）は、高強度領域Ｆに含まれる流路Ｒｂ２の断面形状を示す図である。図７（ｂ）に示されるように、流路Ｒｂ２は、半径ｒ２の円形状の断面形状を有している。このような流路Ｒｂ２の断面形状の最小曲率半径はｒ２と等しい。
【００４５】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、流路Ｒｂ１の断面形状の最小曲率半径ｒ１は、流路Ｒｂ２の断面形状の最小曲率半径ｒ２よりも小さい。換言すると、高強度領域Ｆに含まれる流路Ｒｂ２の断面形状の最小曲率半径ｒ２は、高強度領域Ｆに含まれない流路Ｒｂ１の断面形状の最小曲率半径ｒ１と比べて大きい。
【００４６】
以上説明した第１の実施形態に係るハニカム構造体１０によれば、第２流路Ｒｂの断面形状（開口形状）の最小曲率半径が大きいほど第２の端面１０ｂ上における開口への応力集中を低減できることから、断面形状の最小曲率半径が大きい流路Ｒｂ２を有する高強度領域Ｆにおいてクラックの発生を抑制することができる。しかも、ハニカム構造体１０では、高強度領域Ｆに含まれない流路Ｒｂ１を最小曲率半径の小さい正六角形状の断面形状とすることで、全ての第２流路Ｒｂの断面形状が同じ場合と比べて第２の端面１０ｂ上に第２流路Ｒｂを効率良く配置することができ、フィルタ単位面積当たりの開口面積を大きくして通気性を十分に確保することができる。従って、ハニカム構造体１０によれば、通気性を十分に確保しつつ、クラックの発生を抑制して耐熱衝撃性の向上を図ることができる。
【００４７】
また、ハニカム構造体１０では、中心軸ＣＬを囲む円環状に高強度領域Ｆが形成されることで、熱衝撃により第２の端面１０ｂに現れる環状のクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００４８】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るハニカム構造体２０は、第１の実施形態に係るハニカム構造体１０と比べて高強度領域の形状が異なっている。
【００４９】
図８は、第２の実施形態に係るハニカム構造体２０の第２の端面２０ｂを示す全体図である。図８に示されるように、第２の実施形態に係るハニカム構造体２０は、長円状の高強度領域Ｈを複数有している。高強度領域Ｈは、中心軸ＣＬから所定距離離間した位置で、中心軸ＣＬに直交する方向に延在するように形成されている。高強度領域Ｈは、中心軸ＣＬ周りに６０°間隔で六箇所形成されており、中心軸ＣＬを中心として放射状に位置している。
【００５０】
高強度領域Ｈに含まれる全ての第２流路Ｒｂは、断面形状（開口形状）が円形状であるＲｂ２である。一方、高強度領域Ｈに含まれない全ての第２流路Ｒｂは、断面形状が正六角形状のＲｂ１である。
【００５１】
以上説明した第２の実施形態に係るハニカム構造体２０によれば、第１の実施形態に係るハニカム構造体１０と同様に、通気性を十分に確保しつつ、高強度領域Ｈにおけるクラックの発生を抑制することで耐熱衝撃性の向上を図ることができる。しかも、ハニカム構造体２０では、高強度領域Ｈが第２の端面２０ｂ上で放射状に位置しているので、熱衝撃により第２の端面２０ｂに現れる放射状のクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、高強度領域は、必ずしも第２流路を複数含む必要はなく、一つの第２流路のみを含む態様であっても良い。また、高強度領域の形状は、円環状や放射状に限られず、様々な形状を採用することができる。このような高強度領域の形状や位置、大きさ等は、例えば各種ハニカム構造体の第２の端面におけるクラックが発生しやすい領域に合わせて適切に設定することができる。
【００５３】
また、流路Ｒａ、Ｒｂの断面形状は上述したものに限られない。例えば、流路Ｒａ、Ｒｂの形状は、六角形その他の多角形状の他、円形状や楕円形状であっても良い。仮に、流路Ｒｂ１及び流路Ｒｂ２の両方の断面形状を真円形状とした場合には、断面形状の最小曲率半径の大小は断面面積の大きさに比例する。すなわち、高強度領域Ｆに含まれない流路Ｒｂ１の断面形状が小さな円形状、高強度領域Ｆに含まれる流路Ｒｂ２が大きな円形状となっても良い。また、ハニカム構造体１０,２０は、必ずしも押出一体成形で作られる必要はなく、セグメント構造で作られても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１０、２０…ハニカム構造体  １０ａ、２０ａ…第１の端面  １０ｂ、２０ｂ…第２の端面  １０ｃ、２０ｃ…隔壁  １１…封口材  １２…封口材  ＣＬ…中心軸  Ｒａ…第１流路  Ｒｂ…第２流路  Ｒｂ１…第２流路（正六角形状）  Ｒｂ２…第２流路（円形状）  Ｆ,Ｈ…高強度領域  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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